劉 杰

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

生活垃圾焚燒發(fā)電是我國(guó)生活垃圾無(wú)害化、減量化、資源化處理的主要方法。生活垃圾焚燒需要嚴(yán)格控制污染物排放，特別是二噁英的排放量。二噁英毒性很大，是氰化物的130倍、砒霜的900倍[1]。當(dāng)焚燒爐爐膛內(nèi)的煙氣溫度達(dá)到700 ℃時(shí)，停留時(shí)間0.5 s，便可實(shí)現(xiàn)二噁英及臭氣的分解。從工程角度看，為了確保實(shí)現(xiàn)排放需求，需要有適當(dāng)?shù)陌踩辉?。但如果煙氣溫度過(guò)高，達(dá)到煙氣顆粒變形或軟化的溫度，會(huì)出現(xiàn)水冷壁結(jié)渣等問(wèn)題[2]。因此我國(guó)早在2000年6月1號(hào)實(shí)施的《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18485—2014)即對(duì)垃圾焚燒鍋爐的污染物排放進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，其中二噁英類(lèi)的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)控制在1.0 TEQmg/m3，同時(shí)要求垃圾焚燒鍋爐的爐膛出口煙氣溫度達(dá)到850 ℃時(shí)，煙氣停留時(shí)間不低于2 s。

在我國(guó)垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)的焚燒設(shè)備大致可分為機(jī)械爐排爐、流化床焚燒爐、回轉(zhuǎn)式焚燒爐、靜態(tài)熱解焚燒爐等，其中應(yīng)用最普遍、適用性最廣的為機(jī)械爐排爐。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用的機(jī)械爐排爐的爐膛主控溫度區(qū)主要有單一煙道和主副煙道兩種類(lèi)型。本文通過(guò)研讀相關(guān)規(guī)范并結(jié)合這兩類(lèi)爐型特點(diǎn)，探討了垃圾機(jī)械爐排爐爐型煙氣停留時(shí)間的計(jì)算過(guò)程，并對(duì)主副煙道的焚燒爐煙氣停留時(shí)間的計(jì)算起始點(diǎn)進(jìn)行了分析討論。

1 850 ℃/2 s環(huán)保指標(biāo)的監(jiān)控要求

關(guān)于850 ℃/2 s指標(biāo)，《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18485—2014)進(jìn)行了規(guī)定，見(jiàn)表1。

考核850 ℃/2s的方式為設(shè)置4層溫度檢測(cè)點(diǎn)，即爐膛下部斷面溫度、爐膛中部斷面溫度、爐膛上部斷面溫度，同時(shí)要求二次風(fēng)噴入口也設(shè)置溫度檢測(cè)。

根據(jù)《生活垃圾焚燒廠評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T 137—2019)，爐膛主控溫度區(qū)是指最上(后)面二次風(fēng)噴口以上，在最不利情況下滿足煙氣停留時(shí)間不小于2 s，在垃圾焚燒時(shí)溫度需控制在850 ℃以上的爐膛空間。此處所說(shuō)最不利情況包括煙氣量達(dá)到最大、垃極熱值最低、垃圾量最少(停爐過(guò)程中) 等情況。

煙氣停留時(shí)間主要取決于爐膛主控溫度區(qū)的高度、斷面尺寸及焚燒規(guī)模(煙氣流量) ，可以根據(jù)焚燒爐設(shè)計(jì)的爐膛主控溫度區(qū)尺寸和最大設(shè)計(jì)煙氣量來(lái)估算煙氣在爐膛主控溫度區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間。根據(jù)CJJ/T 137—2019，煙氣停留時(shí)間估算公式如下:

S=H/v

(1)

v=Q/A

(2)

式中:S為煙氣在爐膛主控溫度區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間，s;H為爐膛主控溫度區(qū)的高度,即最上(后) 二次空氣噴入口所在爐膛主控溫度區(qū)溫度監(jiān)測(cè)斷面至爐膛主控溫度區(qū)頂部溫度監(jiān)測(cè)斷面的高度;對(duì)于熱解爐和滾轉(zhuǎn)窯爐，應(yīng)為二次燃燒室的煙氣入口至煙氣出口的長(zhǎng)度，m;v為煙氣在爐膛主控溫度區(qū)內(nèi)的平均流速，m/s;Q為換算成爐膛主控溫度區(qū)平均溫度下的最大設(shè)計(jì)煙氣流量，m3/s;A為爐膛截面面積，m2。

根據(jù)以上公式可知，計(jì)算煙氣在爐膛主控溫度區(qū)的停留時(shí)間，最主要確定3個(gè)參數(shù)：1)爐膛主控溫度區(qū)平均溫度；2)爐膛平均溫度下的最大工況煙氣流量；3)爐膛截面面積。

根據(jù)以上對(duì)規(guī)范的研讀以及目前各大機(jī)械爐排爐廠家實(shí)際計(jì)算，在最高二次風(fēng)空氣噴入口所在斷面的上方設(shè)置兩層爐膛主控溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)：中層監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在最小煙氣量流經(jīng)最高二次空氣噴入口所在斷面后2 s的位置；上層監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在最大煙氣量流經(jīng)最高二次空氣噴入口所在斷面后2 s的位置。中層監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度均值在正常工況下應(yīng)保證不低于850 ℃；上層監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度均值在最大工況時(shí)應(yīng)保證不低于850 ℃，當(dāng)實(shí)際煙氣量介于最小煙氣量和額定煙氣量之間時(shí)，上層監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度均值可小于850 ℃。在實(shí)際監(jiān)控中，因無(wú)法及時(shí)判斷煙氣量是否達(dá)到最大值，因此將上層斷面平均爐溫作為850 ℃/2 s指標(biāo)的監(jiān)控溫度數(shù)據(jù)點(diǎn)，其不低于850 ℃時(shí)認(rèn)為達(dá)標(biāo)。

2 煙氣停留時(shí)間計(jì)算

2.1 單一煙道

國(guó)內(nèi)大部分機(jī)械爐排爐爐膛主控溫度區(qū)為單一煙道，結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了簡(jiǎn)化分析，僅計(jì)算最不利條件下煙氣量達(dá)到最大的工況的煙氣停留時(shí)間。

T1X-爐膛上部斷面溫度測(cè)點(diǎn)； T2X-爐膛中部斷面溫度測(cè)點(diǎn)； T3X-二次風(fēng)起始斷面溫度測(cè)點(diǎn)

最大標(biāo)況煙氣量為117 518 Nm3/h(由焚燒爐燃燒計(jì)算得出)。

爐膛主控溫度的平均溫度取主控溫度最高溫度以及850 ℃的平均值，為990 ℃(由焚燒爐燃燒計(jì)算得出)。

則最大工況煙氣量：Q=117 518×(990+273)/273/3 600=151 m3/s。

從二次風(fēng)噴入口位置到T1X最高層溫度測(cè)點(diǎn)位置的高度為11.815 m。

假定爐寬為3.91 m，第一煙道長(zhǎng)為6.8 m，則爐膛主控溫度的爐膛體積V= 3.91×6.8×11.815=314.14 m3。

則煙氣的停留時(shí)間：S=H/v=(H×A)/Q=V/Q=314.14/151=2.08 s。

2.2 主副煙道

機(jī)械爐排爐爐膛主控溫度區(qū)采用主副煙道的計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 典型主副煙道850 ℃/2 s計(jì)算模型

此焚燒爐采用二次回流爐型，余熱鍋爐一煙道的煙氣流向包括上游側(cè)(副煙道)和下游側(cè)(主煙道)兩個(gè)方向。

根據(jù)焚燒爐原始設(shè)計(jì)資料，副煙道以副煙道二次風(fēng)噴入口作為爐膛主控溫度區(qū)起始斷面，主煙道以主煙道二次風(fēng)噴入口作為爐膛主控溫度區(qū)起始斷面。

最大標(biāo)況煙氣量為117 518 Nm3/h(與單一煙道的煙氣量相同)。

爐膛主控溫度的平均溫度取主煙道入口溫度、副煙道入口溫度以及850 ℃的平均值，為990 ℃(焚燒爐燃燒計(jì)算得出)，則最大工況煙氣量Q=151 m3/s。

從主副煙道計(jì)算起始位置到T- 09第一層溫度測(cè)點(diǎn)位置的爐膛體積V1=217 m3(此部分焚燒爐截面為異性，體積由焚燒爐廠家模擬計(jì)算提供)。

從T- 09到T- 11第三層溫度測(cè)點(diǎn)位置的爐膛體積V2=3.9×6.8×3.91=103.70 m3。

則從主副煙道計(jì)算起始位置到T- 11第三層溫度測(cè)點(diǎn)位置的總爐膛體積V=V1+V2=217+103.70=320.7 m3。

煙氣的停留時(shí)間：S=H/v=(H×A)/Q=V/Q=320.7/151=2.12 s。

2.3 存在問(wèn)題及解決方案

用爐膛主控溫度區(qū)的爐膛體積/最大煙氣量計(jì)算出的停留時(shí)間為煙氣在主控溫度區(qū)的平均停留時(shí)間。采用這兩種方法，上述兩種煙道的煙氣停留時(shí)間均滿足CJJ/T 137—2019以及最新《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18485—2014 /XG1—2019)的要求。

但根據(jù)圖2可知，從副煙道計(jì)算起始點(diǎn)到主副煙道混合點(diǎn)的高度要低于主煙道計(jì)算起始點(diǎn)到主副煙道混合點(diǎn)的高度。因此煙氣從副煙道到爐膛主控溫度區(qū)出口的停留時(shí)間要小于煙氣的平均停留時(shí)間，煙氣從主煙道到爐膛主控溫度區(qū)出口的停留時(shí)間要大于煙氣的平均停留時(shí)間，因此副煙道的煙氣有可能無(wú)法達(dá)到850 ℃/2 s的要求。

因煙氣經(jīng)過(guò)主副煙道的實(shí)際煙氣量是不可控制的，因此無(wú)法分別計(jì)算主副煙道中煙氣的停留時(shí)間。所以用上述公式以及焚燒爐原始設(shè)計(jì)資料中確定的起始斷面來(lái)計(jì)算煙氣停留時(shí)間的方式存在爭(zhēng)議。

為了解決以上存在的爭(zhēng)議，將主副煙道的起始計(jì)算斷面修改到主副煙道混合點(diǎn)處的斷面，以主副煙道混合點(diǎn)處的斷面為起始計(jì)算斷面，調(diào)整如圖3所示。

圖3 典型主副煙道混合點(diǎn)850 ℃/2 s計(jì)算模型

調(diào)整后，從主副煙道混合點(diǎn)處的斷面位置到T- 11第三層溫度測(cè)點(diǎn)位置的爐膛體積V=3.91×6.8×11.815=314.13 m3。

煙氣的停留時(shí)間：S=H/v=(H×A)/Q=V/Q=314.13/151=2.08 s。

3 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)單一煙道和主副煙道煙氣停留時(shí)間的計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：

1)對(duì)采用二次回流技術(shù)的焚燒爐，以主副煙道的二次風(fēng)噴入口作為煙氣停留時(shí)間的起始計(jì)算截面，通過(guò)爐膛內(nèi)高溫段(≥850 ℃)有效容積與爐膛煙氣流量的比值計(jì)算煙氣停留時(shí)間，結(jié)果滿足國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

2)采用主副煙道的二次風(fēng)噴入口作為煙氣停留時(shí)間的起始計(jì)算截面時(shí)，副煙道的煙氣存在無(wú)法達(dá)到2 s的可能，可以采用將起始計(jì)算截面修改至主副煙道混合點(diǎn)處的方案解決，但此方案會(huì)造成余熱鍋爐第一煙道加高，增加造價(jià)。